Fleischer, Jürgen

Munzinger, Christian

Rudolf, Christian

Wauer, J.

Weis, Martin

KITopen

      Adaptronische Kompensation von geometrischen Maschinenfehlern unter Berücksichtigung von Prozesslast und Position im Arbeitsraum   FL 197/13-2 WA 598/31-2   Institut für Produktionstechnik (wbk), Uni Karlsruhe (TH) + Institut für Technische Mechanik (ITM), Uni Karlsruhe (TH) 2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 29First published in: EVA-STAR (Elektronisches Volltextarchiv – Scientific Articles Repository) http://digbib.ubka.uni-karlsruhe.de/volltexte/1000011247 2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 30Adaptronische Kompensation geometrischer Maschinen-fehler in Werkzeugmaschinen mit Parallelkinematik J. Fleischer1, C. Munzinger1, M. Weis1, J. Wauer2, C. Rudolf21 Institut für Produktionstechnik (wbk), Universität Karlsruhe (TH)  2 Institut für Technische Mechanik (itm), Universität Karlsruhe (TH)  EinleitungAllgemein zeigen Werkzeugmaschinen Verlagerungen im statisch/quasistatischen und im dynamischen Lastbereich auf. Ziel des Projekts ist die adaptronische Kompen-sation dieser Verlagerungen mit paralleler Bewältigung von Sensor- und Aktorfunkti-on. In den ersten zwei Projektphasen wur-de dazu bisher auf den statisch/quasi-statischen Bereich fokussiert, um in einer weiteren 3. Phase die Ausweitung des Konzepts auf den dynamischen Bereich anzugehen. Unter Ausnutzung des Prinzips einer Schwingsaitenwaage werden stati-sche Verformungszustände zur Messung in ein dynamisches Eingangssignal für piezo-elektrische Wandler gewandelt. Optimierung der KompensationseinheitZur Darstellung einer geregelten Steifig-keit in beide Biegerichtungen einer Strebe wurde ein weiterer Wandler so integriert, dass aufbauend auf dem zuvor entwickel-ten Prinzip die gleichzeitige Verwendung der piezoelektrischen Wandler als Sensor und Aktor erhalten bleibt. Die hierbei notwendige Einführung einer weiteren schwingenden Saite zur dynamischen Vorspannung des Systems wurde konstruk-tiv so gelöst, dass einerseits der einfache Zusammenhang zwischen Eigenfrequenz der Saite und ihrer Längenänderung unter Last erhalten bleibt, und andererseits die Saiten so an den Strebenteilen befestigt wurden, dass sie sich gegenseitig nicht in ihrer Wirkung als Maßverkörperungenbeeinflussen. Hinsichtlich der Torsionsstei-figkeit der Gesamtstrebe wurde zur Einhal-tung der gegebenen Bauraumgrenzen der zunächst angedachte Einsatz eines Falten-balgs verworfen. Stattdessen wurden an die kinematischen Bedingungen angepasste Bolzen verwendet, welche hinsichtlich der erreichbaren Steifigkeit vergleichbare Werte liefern. Die einzelnen Komponenten sind in Bild 1 dargestellt. Saite,optimierte FormKippebene PunktlagerMassen-kopplungDehnschraubenTorsionsbolzenKoppelelemente SaitenspannerPiezo WandlerAufnahme obere StrebenhälfteLauffläche in Nutuntere StrebenhälfteBild 1: Strebenkomponenten, Ausführung mit DoppelaktorErweiterung der Regelungskonzepte Die Beibehaltung des im ersten Prototyp realisierten Prinzips zur dynamischen Vorspannung erlaubt die grundsätzliche Übernahme der realisierten Reglerhard-ware. Zusätzlich ist jedoch eine Erweite-rung des Konzepts notwendig, um die Überlagerung der beiden Saitensignale zu verhindern. Hierzu werden die beiden Saiten mit unterschiedlichen Frequenzen angeregt und die entsprechend der Be-triebsbereiche eingestellten Frequenzen wechselseitig im Signalpfad durch Band-sperren gefiltert. Für die Einstellung einer gezielten Verlagerung, also dem Ausgleich einer statischen Verlagerung infolge von beispielsweise Montagefehlern, ist zusätz-lich noch eine Datei notwendig, welche die 2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 31Verkippung der aktiven Stellachsen aus-wertet.Mit der bereits entwickelten Regelungs-technik werden mit dem Gesamtaufbau für einen Wandler eine Wiederholbarkeit und Genauigkeit unterhalb von 0,5 µm erreicht. Die Dynamik der entwickelten Einheit genügt den Anforderungen für den Aus-gleich statischer und quasistatischer Verla-gerungen durch eine im Fall einer sprung-haften Systemanregung darstellbaren Anstiegszeit von etwa 10 ms. Potenziale zur SpannungsabsenkungIm Auslegungsprozess der piezoelektri-schen Wandler, die gleichzeitig sensorisch als auch aktorisch genutzt werden, stellen die geometrischen Parameter der Kerami-ken die variablen Größen dar, welche nach Wahl einer geeigneten Keramik zu bestimmen sind [1]. Insgesamt ist dabei ein ausreichend hohes sensorisches Signal zu erreichen, wobei auch die projektierte aktorische Längung der Wandler erreicht werden muss. Durch Variation der geomet-rischen Parameter in Kombination mit einer konservativen Abschätzung realisier-barer Verstärkertechnik wurde eine Ab-senkung der maximalen Betriebsspannung errechnet. Für die Darstellung der aktori-schen Funktion ist insbesondere die Ein-haltung des zu Verfügung stehenden Bau-raums als limitierender Faktor zu nennen, welcher im vorliegenden Fall durch die umgebende Konstruktion begrenzt ist. Somit steht zu Beginn der spannungsredu-zierten Auslegung die Wahl der Wandler-fläche. Auf der sensorischen Seite hinge-gen stellt bei gewähltem Durchmesser die Plattendicke die entscheidende Rolle. Sie muss so groß gewählt werden, dass die in der Regelungselektronik verarbeiteten Spannungen in ausreichender Höhe vorlie-gen.HysteresemodellierungPiezokeramische Materialien weisen ein hysteresebehaftetes Großsignalverhalten auf. Zur Berücksichtigung dieses nichtline-aren Verhaltens im Regelkreis wurde unter Verwendung elementarer Hysterese- und Sättigungsoperatoren ein mathematisches Modell erstellt. Mit diesem Modell kann eine Invertierung des Hystereseverhaltensdurchgeführt werden. Durch eine gezielte Ansteuerung des hysteresebehafteten Sy-stems mit dem durch die Inverse modifi-zierten Signal kann ein lineares Übertra-gungsverhalten des piezoelektrischen Wandlers erzielt werden [2].Dies kann genutzt werden um die Dynamik des Sys-tems zu steigern. Bild 2 zeigt die erfolgrei-che Abbildung einer im Versuchsstand des wbk gemessenen Hysterese mit Hilfe weniger Elementaroperatoren.  Bild 2: Hystereseabbildung unter Verwendung elementarer Sättigungs- und Hystere-seoperatorenReglerstruktur und Co-Simulation Zum Entwurf eines Reglerkonzepts für die adaptronische Strebe wurden verschiedene Modelle der Strebe untersucht. Zunächst wurde ein einfaches Modell eines Drei-massenschwingers betrachtet, anhand des-sen ein optimaler Zustandsregler konzipiert wurde. Da der Zustandsvektor jedoch in den seltensten Fällen vollständig bekannt ist, wurde weiterhin ein Modell eines Luenberger Beobachters aufgebaut. Dieses Beobachtermodell findet auch bei der Co-Simulation zwischen dem Strebenmodell bzw. dem Modell der Beispielmaschine im MKS-Softwarepaket MSC.Adams und dem Regler in Matlab/Simulink seinen Einsatz.Aufgrund unerwünschter bleibender Re-gelabweichungen, die bei diesem Ansatz eines optimalen Zustandsreglers auftreten, wurde das Reglerkonzept um eine Rück-führung erweitert, in der ein integrierendes 2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 32Messglied enthalten ist [3]. Dadurch konn-te die Regelabweichung eliminiert werden. Dieser anhand des Dreimassenschwingers entwickelte Regler wurde auch auf die komplexeren Modelle der adaptronischen Strebe angewandt. Das Ergebnis dieser erfolgreichen Übertragung des einfachen Reglerkonzepts auf das komplexe Modell unter dem Einfluss einer sprunghaften Störung ist in Bild 3 dargestellt. Bild 3: Optimaler Zustandsregler mit Integra-tor unter dem Einfluss einer sprunghaf-ten Last auf adaptronische Strebe.Implementierung der adaptronischen Strebe in die Beispielmaschine Zur Bestimmung der optimalen Anzahl und Position der adaptronischen Streben für den Einsatz in der Beispielmaschine wurde ein variables Modell der Werk-zeugmaschine in MSC.Adams aufgebaut, das in Bild 4 für die beispielhafte Konstel-lation mit drei adaptronischen Streben dargestellt ist. Damit wurden verschiedene simulative Untersuchungen durchgeführt. Bild 4: MSC.Adams Modell der Beispielma-schine mit drei ausgetauschten           adaptronischen Streben [3].  So lässt sich beispielsweise anhand der Frequenzantworten der Werkzeugmaschine auf vorgegebene Prozesslasten eine Aussa-ge über den Einfluss der adaptronischen Streben im Einsatz in der Werkzeugma-schine auf die Position und Orientierung des Tool Center Points sowie auf die Stei-figkeit der Maschine treffen. Mit diesen Ergebnissen kann bestimmt werden, wel-che der sechs Streben abhängig von den einzelnen Bearbeitungsprozessen zur Kompensation der statischen Fehler ausge-tauscht werden müssen. AusblickFortführende anstehende und geplante Untersuchungen beinhalten die Umsetzung des Regelungskonzepts in der Gesamtma-schine, insbesondere in standardisierten Bearbeitungsprozessen wie z.B. Drehen oder Fräsen, sowie eine Beurteilung des gesamten Funktionsprinzips, auch im Hinblick auf den Einsatz in anderen An-wendungsgebieten.Im Fokus weitergehender Untersuchungen steht dem gegenüber die Erweiterung des Ansatzes zur Kompensation von Verlage-rungen über den statisch/quasistatischen Bereich hinaus. Hierzu wird einerseits der direkte piezoelektrische Effekt in Kombi-nation mit der erarbeiteten Methode ge-nutzt, andererseits werden Phasenregel-kreise zur Erhöhung der Messgeschwin-digkeit des dynamischen Signals einge-setzt, sodass der Betrieb der Saite in einen Bereich höherer Frequenzen verschoben werden kann. Literatur[1] Munzinger, C., Adaptronische Strebe zur Steifigkeitssteigerung von Werk-zeugmaschinen, Universität Karlsruhe (TH), Karlsruhe 2007, ISBN 978-3-8322-5871-9. [2] Kuhnen, K.; Inverse Steuerung piezo-elektrischer Aktoren mit Hysterese-, Kriech- und Superpositionsoperatoren;Shaker-Verlag; 2001.  [3] Rudolf, C.; Wauer, J.; Munzinger, C.; Weis, M.; Piezoelectric control of a ma-chine tool with parallel kinematics;Proc. of SPIE; 2007, im Review Prozess.  2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 33 2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 34Adaptronische Kompensation von geometrischenMaschinenfehlern unter Berücksichtigung vonProzesslast und Position im ArbeitsraumKooperationsprojektProf. J. Fleischer, Institut für ProduktionstechnikDipl.-Ing. Martin WeisProf. J. Wauer, Institut für Technische MechanikDipl.-Ing. Christian Rudolf2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 352Ziele und Ansatz des ProjektesProblemstellung:•Werkzeugmaschinen zeigen Verlagerungen imstatisch/ quasistatischen und dynamischen Lastbereich.Ziel:•Phasen 1+2:Adaptronische Kompensation statischer undquasistatischer Verlagerungen mit paralleler Bewältigungvon Sensor- und Aktorfunktionen.•Phase 3: Ausweitung des Konzepts auf dendynamischen BereichAnsatz:•Nutzung des Prinzips einer Schwingsaitenwaage zurWandlung des statischen Zustands in ein dynamischesEingangssignal für den piezoelektrischen WandlerWandlerabVorgespannte, schwingende SaiteFSaiteFWandlerzlWandlerVorgespannteSaiteLager-punktF FStrebe1f 0 =2* l *1/2Eigenfrequenz einerschwingenden Saite:2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 363Arbeitsprogramm des ForschungsprojektsErweiterung derRegelungskonzepteErweiterung desmechatronischen ModellsPotenziale zurSpannungsabsenkungErweiterung derMehrgrößenregelungOptimierung der adaptro-nischenKompensationseinheitIntegration der Streben in dieBeispielmaschineOptimierung und Übertragbarkeitder Mehrgrößenregelunggr pAP 1AP 3AP 6AP 4AP 2AP 5AP 9Kopplung der SteuerungenAP 7EETest und CharakterisierungAP 82. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 374AP1: Erweiterte adaptronische StrebeKonzept:Wandler IWandler IISaite IILager-punktSaite IVerkippungbei HubWandler IAAA-AFixierung der Saite:Übertragung derWeginformation l = konstant•Entkopplung der Wandler/ Saiten-Paare gelöst.•Einfacher Zusammenhang zwischen Frequenz (Weg)und mech. Saitenspannung weiterhin gültig.2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 385AP1: Erweiterte adaptronische StrebeDraufsicht:Saite,optimierte FormKippebenePunktlagerMassen-kopplungSaitenbaugruppe:Piezoelektrische WandlerDehnschraubenTorsionsbolzenKoppelelemente derSaitenspannerA-AAA•Mechanisches Prinzip kann weitgehendweiter verfolgt werden.•Torsionssteifigkeit wird durch den Einsatz von zwei an die Kinematik angepasste Bolzen realisiert2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 396AP4: Erweiterung der RegelungstechnikElektromagnetVorspannung bzw.SaiteVerstärkerWandlerStrebeBrücken-schaltungPhasen-korrekturHV-VerstärkerReglerPIFrequenzzählerx(f)Sollwert   _+KommunikationsdateiFrequenz-weichebzw.BandpassRegelungskonzept:•Saiten werden mitunterschiedlichenGrundfrequenzenangeregt  Trennung derSignale mitFrequenzweichen/Bandpässen (vgl. Splitterbei DSL)•Kompensation derVerkippung durch„Kommunikationsdatei“41•Regelungstechnik wird weiter verwendet.Zusätzlich ist eine Frequenzweiche sowie einAbgleich der Verkippung notwendig.2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 407AP 4: Ergebnisse•Maßverkörperung (schwingendeSaite) ergibtstabilesSystem mit guterGenauigkeit und Wiederholbarkeit.•Dynamik für den Ausgleich statischer undquasistatischer Verlagerungen ausreichend.Anstiegszeit: ~10 msWegsignal aus der schwingenden SaiteWegsignal des externen MesssystemsSollwertWiederholbarkeit (6): < 0,5 mGenauigkeit:< 0,5 mDirekte Messung der Hysterese => keineAuswirkungen auf die Funktion des Systems2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 418AP3: Potenziale zur Spannungsabsenkung•Projektierte Klemmkraft und freier Hub ergebenPlattenstärke, Plattenzahl und Wandlerdurchmesser(~0,7mm; ~260; 25mm).•Umax auf 350 V abgesenkt.max3333UhAsdFEKlemm=max33maxUndz=Wandlerhub über Plattenzahl und UmaxKlemmkraft über Durchmesser und Plattenstärke (Umax =350V)2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 429AP3: Potenziale zur Spannungsabsenkung•Wandlersteifigkeit bei Umax leicht reduziert.•Sensorisches Signal (V/N) bei Wandlerdurchmesser d = 25mm ausreichend hoch für die Auswertung.AFhdCFdUTxxxx==EWandlermechnhsAnhAEzFc33===Wandlersteifigkeit über Plattenzahl und Plattenstärke (d=25mm)Wandlerspannung über Last und Wandlerstärke (d=25mm)2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 4310Anstehende ArbeitenBau und Inbetriebnahme der biegesteifen Strebe:•Stand: Teilefertigung, Aufbau der FrequenzweichenIntegration in Maschine/ Test:•Kopplung der Maschinensteuerung mit der Regelungder Strebe (Sollwertvorgabe) über AnalogsignalTest und Charakterisierung:•Test und Charakterisierung erfolgen nach Integration2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 4411Arbeitsprogramm des ForschungsprojektsErweiterung derRegelungskonzepteErweiterung desmechatronischen ModellsPotenziale zurSpannungsabsenkungErweiterung derMehrgrößenregelungOptimierung der adaptro-nischenKompensationseinheitIntegration der Streben in dieBeispielmaschineOptimierung und Übertragbarkeitder Mehrgrößenregelunggr pAP 1AP 3AP 6AP 4AP 2AP 5AP 9Kopplung der SteuerungenAP 7EETest und CharakterisierungAP 82. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 4512AP2: Großsignalverhalten von piezokeramischen Wandlern:Operatorbasierte Beschreibung2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 4613AP2: Großsignalverhalten von piezokeramischen Wandlern:Operatorbasierte Beschreibung2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 4714AP4: Modellentwicklung adaptronische Strebe2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 4815AP 4/5: Erweiterte Reglerstruktur im Co-SimulationsmodellADAMS-Matlab/Simulink:2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 4916AP 8/9: ADAMS-Modell der PKM mit adaptronischen Streben –Einfluss von Position und Anzahl:2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 5017Weiteres VorgehenUmsetzung der Mehrgrößenregelung im Modell:•Auswahl der Reglerprinzipien•ParameteroptimierungBewertung und Charakterisierung der geregelten Maschine:•Position und Anzahl der adaptronischen Streben•Verschiedene Arbeitsprozesse, Position im ArbeitsraumÜbertragbarkeit und andere Einsatzgebiete:•Systeme mit PKM Struktur, z.B. WZM aus SPP 1099•Linearpositionierung2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 5118AusblickErhöhung der Dynamik:•Auswertung des direkt am Wandlermessbaren Spannungssignals inKombination mit dem bisherigenMessprinzip (schwingende Saite)120010008006004002000 -200Kraft [N]LastkraftBrückenzweig mitpiezoelektrischem WandlerBrückenzweig mit passiverKapazitätPhase 1:FunktionsprinzipPhase 2:Statischer quasistatischerLastbereichPhase 3:Erhöhung der Dynamik2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 5219Ausblick    Dynamiksteigerung derFrequenzbestimmung mit PLL:    Einsatz vonSelf-Sensing Aktoren:2. Berichtskolloquium SPP 1156Seite 53

Adaptronische Kompensation geometrischer Maschinenfehler in Werkzeugmaschinen mit Parallelkinematik

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Adaptronische Kompensation geometrischer Maschinenfehler in Werkzeugmaschinen mit Parallelkinematik

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